集約型中學化學實驗室儀器管理和試劑使用的思考

楊世全

湖北省安陸市第一高級中學(432600)

1 實驗室管理和使用現狀分析

化學實驗有助于激發學生學習化學的興趣,鍛煉學生的動手能力,而中小學化學實驗室是教師開展分層教學、加強化學教學實踐的重要場所。中小學化學實驗室的建設在一定程度上決定了化學實驗開展的情況,從高中化學實驗室設施的配置和管理情況看,縣域高中化學實驗室在人員配置、實驗開設、儀器管理、試劑存放、廢棄物處理上存在一定的問題,主要概括為以下3個方面。

1.1 實驗員數量達標,但未能專職專用

從對安陸市3所普通高中實驗員配置情況的調查來看,高中化學實驗室配置的實驗員屬于專職人員,且平均人數可以保證1人管理1個實驗室。從年齡結構上看,管理實驗室的專職人員均為相應學科即將退休的人員,該類教師雖然在學科知識上不存在問題,但是在實驗室管理工作中參與度較小。實驗室中實際進行管理的是一位較年輕的實驗員,且需要同時管理理化生3個學科實驗室。該實驗員可能是理化生某一學科的教師,卻承擔了不屬于該學科的實驗管理任務,可能導致在實驗的準備中出現專業性不足的問題,且實驗準備任務較多,一人無法在相應時間準備整個年級所需要的試劑和儀器。

1.2 實驗開設數目不足

從高中教學的情況看,化學實驗的開設情況不容樂觀,部分學校一學年僅僅開設1～2次實驗,且將某些高中化學實驗集中在1節課內完成。按照這種模式進行教學,則實驗的效果會大打折扣,將實驗過程變為機械的重復操作,達不到教學的效果,無法真正地提升學生的科學探究素養。以安陸市鳳凰寄宿學校2021屆、2022屆高三學生為例,整個高三學年學生沒有親自做過一次化學實驗,而這也成為一個普遍現象,即高三階段的教學主要是高考復習,不需要進行化學實驗,這顯然與化學學科的教學理念相違背。以實驗為基礎是化學學科的重要特征之一,這個特征不分年級,在高三階段仍然需要學生進入實驗室進行化學實驗。從鳳凰寄宿學校高三備課組了解到,化學實驗之所以無法實施,原因之一是時間過于緊張,無法按照實驗計劃準備實驗試劑、實驗儀器等,最終導致實驗開設情況不容樂觀,學生無法從化學實驗中形成問題解決的思維模型。

1.3 儀器和試劑的管理混亂,廢棄物難以處理

通過觀察安陸市高中化學實驗室可以發現，實驗室中使用過的儀器、試劑的存放存在亂象。使用過的儀器未能及時清理，導致盛放過溶液的燒杯、試管等玻璃儀器難以清洗，尤其是容量瓶、滴定管等儀器，學生在做完實驗之后普遍存在洗不干凈容器內壁的情況。未用完的試劑存放于試劑瓶中，由于長期不再使用導致試劑久置，部分試劑變質，未變質試劑由于存放混亂導致無法辨別試劑類型和濃度，進而造成試劑無法使用。同時實驗室購置的試劑由于沒能及時用于實驗，導致多種試劑存放時間較長。例如：鳳凰寄宿學校實驗室存放的H2O2溶液，已開封的溶液3瓶，未開封2瓶，購置均已超過3年，已開封試劑已無法使用。

從3所高中實驗室的情況看，學生進行實驗之后，產生的廢棄物沒有分類處理，固體廢棄物直接丟棄進入垃圾桶，液態廢棄物則隨手倒入水池，并未用廢液缸進行收集并加以處理。在其他地區的實驗室管理中，同樣存在這一問題，究其原因有以下幾點：①無法處理；②不愿處理；③不能處理；④無錢處理；⑤不敢處理[1]。雖然《湖北省中小學實驗教學用危險化學品安全管理辦法》(鄂教備字〔2020〕4號)中強調“對實驗產生或殘存的廢氣、廢液、廢渣，由學校統一進行收集、集中處理，不得在實驗室內存留、釋放，更不可隨意倒入下水道內”，但該辦法僅提出了需要集中處理，并未說明如何集中處理。在《教學實驗用危險固體、液體的使用與保管》(GB/T 28920-2012)中關于有機物處理提出以下的處理辦法“對碳氫氯化物采用與可燃材料混合在高溫下燃燒(1 300 ℃)，在此溫度下可使碳骨架摧毀”，顯然在高中化學實驗室中不存在高溫灼燒裝置，因此高中化學實驗室中有機廢物是無法處理的。而其余有害、有污染試劑均未明確具體的處理辦法，普遍采取直接排放的方式處理。

2 實驗室管理方案的集約化設想

新課程實施以來,許多地區和學校都在科學教育方面增加了投入,加大了實驗室建設的力度,實驗條件不斷改善。安陸市的3所普通高中已經逐步改善了實驗室條件,配置了標準化的實驗臺。外部條件的改善能夠有效地幫助教師實施實驗教學,但是在實驗室使用過程中出現的問題仍然未得到有效的解決。針對實驗室管理的現狀,在落實國家規定的相關實驗室管理要求之外,還應該立足于高中教學實際,將實驗室管理集約化,在社會、國家對生態環境要求提高的情況下,從細節入手,做好資源的充分利用、環境的友好發展。針對高中化學實驗室的現狀,可以著手從以下幾個細節進行改進完善。

2.1 組建化學實驗小組,助力實驗室環境改善,建立配套儀器使用標準

新課程標準中強調“有條件的地方和學校應逐步引進一些現代化儀器設備,并向學生或學生課外興趣小組開放,在教師或實驗員引導下開展實驗探究活動”。高中化學教師應該充分利用學校教學資源,可以從教師和學生兩個層面建立化學實驗小組。教師團隊除了擔任學生團隊的導師,也可以進行教學教研活動。在教師團隊的帶領下,由學生社團為主力,組織開展多種實驗室活動,例如:實驗裝置設計大賽、趣味實驗體驗、實驗探究活動、整理實驗室等。充分利用這些活動,培養學生對化學學習的興趣,利用整理實驗室活動,將實驗室管理精細化,讓學生明白實驗室管理的重要性,教會學生如何整理實驗儀器、保管儀器、保存試劑、處理廢棄物等。讓學生成為實驗室的主人,成為實驗室管理中的責任人。

隨著地方政府和學校對實驗室設備投入的增加,有條件的地區可以由學校出資購買成套的高中化學實驗儀器(見圖1)。以學生小組(小組人數可以靈活決定)為單位分配1套實驗儀器,該套實驗儀器可以滿足學生高中三年的實驗課需要。同時建立使用、管理該套儀器的規則,讓學生能夠隨時取用自己管理的這套儀器,成為該套儀器的主人、責任人。若儀器出現破損則需要學生填寫購買清單,委托學校重新購置(有條件的學校可提供儀器補充),保證實驗儀器不缺失。

圖1 高中化學實驗儀器箱

通過建立實驗小組和完善實驗儀器的配套使用制度,當學生成為實驗儀器的責任人之后,可以提升其使用儀器的責任感,避免使用過程中隨意使用儀器而對儀器造成損害。當實驗完畢,由于儀器屬于學生個人,學生自身的責任心可以促使學生在使用完儀器之后及時地清洗儀器,不會造成儀器臟亂差的情況,從而減少儀器的損耗。

2.2 以教材實驗為依據,建立標準化實驗套餐,建立回收制度

新課標列出的高中化學學生必做實驗共計18個，這些必做實驗在教材中以“實驗活動”為欄目進行設置。以人教版選擇性必修1教材為例，設置了實驗活動、演示實驗、探究、思考與討論多種欄目，化學實驗貫穿于這些欄目中，全書共設置了22組實驗。其中演示實驗12組，使用試劑46種。

使用頻率較高的有HCl溶液、H2SO4溶液、NaOH溶液、FeCl3溶液等,這部分試劑使用頻率均大于5次,其余絕大多數試劑使用頻率為1次,少部分使用頻率為2～3次。使用頻率較高的鹽酸和硫酸溶液具體濃度和用量見表1。

表1 高頻率試劑使用濃度及用量

從表1中可以看出,使用到的鹽酸和硫酸濃度不統一,均達到了5種,且用量跨度較大。在實施演示實驗時,6 mol/L的硫酸僅用到了5～10滴,使用0.1 mol/L硫酸的量約為2 mL。若在實驗室配制某一濃度的硫酸,一般配制50 mL～100 mL以供使用,在配制完成后,由于使用的量較少,多余的硫酸會存放于試劑瓶中。中學化學實驗室存儲環境較差,若長時間保存可能導致試劑濃度發生變化,無法再次使用,從而導致試劑浪費。對于具有污染性的試劑,例如:NO2氣體,通常是現制現用,在中學化學實驗室中,制備NO2氣體,是使用濃硝酸和銅反應,那么制備之后的試劑如何處理,并沒有統一的標準,多數學校將反應后的溶液稀釋直接排放,顯然排放的試劑中存在硝酸、硝酸銅,會對環境造成影響。

針對以上情況,可以由試劑公司統一配備,形成實驗試劑盒,針對教材中的實驗設計對應的實驗套餐包,保證演示實驗的正常開展。在進行探究CH4和C2H4的化學性質的教學時,可以使用如圖2所示的試劑盒,盒子內部包含了實驗所需要的CH4、Cl2、C2H4、酸性KMnO4溶液、溴的CCl4溶液等。由于進行集中化的采購,試劑由試劑供應商進行配制,避免每個學校多次配制造成的試劑浪費。且部分試劑在中學實驗室易制取,但不易保存,而試劑供應商卻可以提供相應的裝置保存,例如CH4氣體、C2H4氣體。試劑供應商在提供了試劑的同時,對于自行配制的溶液,有更好的環境進行保存,可以保證剩余試劑的正常使用。對于污染性試劑的處理,可以在實驗完畢由供應商直接回收,再做處理,進而形成試劑的供應-回收鏈條,保證有充足合適的試劑使用,同時也能形成有效的試劑回收渠道。

圖2 CH4和C2H4性質實驗的試劑盒

2.3 分析實驗的編排順序,優化試劑使用,增設課外實驗,實現試劑再利用

在理清高中化學實驗編排順序的基礎上,分析實驗安排的順序,整理試劑使用的先后順序，可以保證配制一次試劑實現多次使用的情況，避免試劑的浪費。例如，在必修階段，“一定物質的量濃度的NaCl溶液的配制”是學生必做實驗，該實驗的目的是使學生學會配制溶液的方法，掌握配制溶液的步驟、認識使用的儀器等。使用NaCl溶液作為配制實驗的試劑，成本較低，試劑無污染，但是在配制實驗完成后，配制好的溶液并沒有進行合理的利用，直接倒入水池，雖然對環境沒有影響，但是實際上也屬于一種浪費。因此在整理實驗順序的基礎上，可以在該實驗上稍作變化，允許學生配制不同種類的溶液，將NaCl溶液的配制改為稀硫酸、稀鹽酸、NaOH溶液的配制，配制好的溶液可以保存留作后續實驗繼續使用。若改成配制一定物質的量濃度的酸或堿溶液，可以利用pH計測量所配溶液的pH，讓學生檢驗所配溶液濃度是否符合要求。即使所配溶液的濃度有所偏差,但在濃度不做要求的實驗中,仍然是可以使用的。通過這種方式達成對試劑的再利用,減少試劑的浪費。

除此之外,還可以利用多余的試劑,以實驗小組為單位設計值得探究的實驗議題或趣味實驗,例如,FeCl3溶液是必修一中常用的試劑,教材中常用的為稀FeCl3溶液,在使用之后若有剩余,筆者引導實驗探究小組設計FeCl3溶液和金屬Mg的反應,從實驗現象中推測發生的反應、產生的物質,進而分析氧化還原反應的規律,總結物質氧化性的變化規律。通過課外實驗的設置將剩余的試劑合理使用,達到試劑使用的最大化,避免造成試劑浪費。

3 結語

隨著我國經濟的快速發展、辦學條件的不斷改善，化學實驗室的管理一定會更加規范[2]。筆者認為如果按照集約化的思想從細節著手,落實管理條例,則可以更大限度的發揮化學實驗室的能效，減少試劑、儀器的浪費，能夠引領學生更加喜歡化學學科，投入到化學的學習中，對化學學科教學起到促進作用。通過實施對應的策略，有利于實現化學學科的育人價值，落實核心素養的培育，幫助學生形成良好的、科學的實驗觀念。從長遠看，有利于我國自然學科科研人才的培養，為未來實現集約型、綠色型社會打好基礎。